과산화수소 하이브리드 로켓을 위한 접촉점화성 고체 연료 개발 및 검증

Abstract

접촉점화성 하이브리드 로켓은 시스템이 간단하고, 빠르며 신뢰성 있는 점화 및 재점화가 가능하다는 장점이 있어 과학 로켓이나 상승 기동 추진 기관 등에 활발히 활용되고 있다. 한편, 과산화수소의 우수한 접촉점화성에도 불구하고 접촉점화성 연료 후보군의 수가 적고, 잦은 폭발성 시동이 일어나는 기존 금속 수소화물 기반 연료를 대체할 수 있는 새로운 접촉점화성 연료 개발에 대한 필요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 다양한 첨가제를 가지는 접촉점화성 고체 연료 및 제작 공정이 연구, 확립되었으며, 카본 블랙, 이산화망간, 백금-루테늄-카본 촉매, 그리고 팔라듐-카본 촉매 첨가제 등 다양한 첨가제들을 1~2 wt% 첨가하여 점화 지연 개선을 비교하였다. 액적 낙하 실험을 통해 팔라듐-카본 촉매 첨가제를 포함하는 25ABP 시료의 경우 1.2 ms의 가장 짧은 점화 지연을 가짐을 확인하였다. XRD 분석을 통해 팔라듐-카본 촉매가 포함된 접촉점화성 고체 연료 내 $\beta$상의 수소화 팔라듐이 형성되고, 장기 저장성을 가짐을 확인하였다. 점화 지연, 저장성, 비추력, 재연성, 폭발성 등 다양한 관점에서 접촉점화성 고체 연료의 신뢰성 평가를 수행하기 위해 액적 낙하 실험, 대기 환경 저장성 평가, 상압 연소 실험 및 50 N 급 하이브리드 로켓 연소 실험을 차례로 수행하였다. 대기 환경 저장성 평가를 통해 암모니아 보레인의 경우 $NaBH_4$에 비해 강건한 흡습성을 가짐을 확인하였으며, 카본 블랙을 포함하는 시료의 경우 상대 습도 90%의 환경에서 점화 지연이 로그함수적으로 증가하며, 2 일 차부터 점화가 되지 않는 현상을 확인하였다. 이를 통해 로켓 운용 시 내부 습도 관리의 필요성을 재확인하였다. 상압 연소 실험을 통해 고 유량대 상압 연소 신뢰성을 확보하고, 상압 연소 특성을 확인할 수 있었다. 이후 50 N 급 접촉점화성 과산화수소 하이브리드 로켓을 설계, 제작하여 팔라듐 카본 촉매를 포함하는 접촉점화성 고체 연료의 소모성 촉매대로의 적용을 위한 안전성과 신뢰성을 최종 검증하였다.